渦輪流量計是葉輪式流量（流速）計的主要品種，葉輪式流量計還有風速計、水表等。流量計大全之渦輪流量計的結構原理與優缺點(多圖)、渦輪流量計的結構特點
在各種流量計中渦輪流量計、容積式流量計和科氏質量流量計是三類重復性、精確度最佳的產品，而渦輪流量計又具有自己的特點，如結構簡單、加工零部件少、重量輕、維修方便、流通能力大（同樣口徑可通過的流量大）和可適應高參數（高溫、高壓和低溫）等。至今，這類流量計產品可達技術參數：口徑4-750mm，壓力達250MPa，溫度為-240-700℃，像這樣的技術參數其他兩類流量計則是難以達到的。
渦輪流量計廣泛應用于以下一些測量對象：石油、有機液體、無機液、液化氣、天然氣、煤氣和低溫流體等。在國外液化石油氣、成品油和輕質原油等的轉運及集輸站，大型原油輸送管線的首末站都大量采用它進行貿易結算。在歐洲和美國渦輪流量計是僅次于孔板流量計的天然氣計量儀表，僅荷蘭在天然氣管線上就采用了2600多臺各種尺寸，壓力從0.8MPa到6.5MPa的氣體渦輪流量計，他們已成為優良的天然氣流量計。盡管渦輪流量計的優良計量特性受到人們的青睞，可是給人的印象是由活動部件，使用期短，在選用時不免躊躇，經過人們的不懈努力，應該說情況大有改觀。
渦輪流量計作為最通用的流量計，其產品已發展為多品種、全系列、多規格批量生產的規模。應該指出，渦輪流量計除前述工業部門大量應用外，在一些特殊部門亦得到廣泛應用，如科研實驗、國防科技、計量部門，這些領域的使用恰好避開了其弱點（不適于長期連續使用），充分發揮其特點（高精度，重復性好，可用于高壓、高溫、低溫及微流量等條件）。在這些領域，大多是根據被測對象的特殊要求進行專門的結構設計，它們是專用儀表不進行批量生產。
渦輪流量計工作原理
圖1所示為渦輪流量計傳感器結構圖，由圖可見，當被測流體流過傳感器時，在流體作用下，葉輪受力旋轉，其轉速與管道平均流速成正比，葉輪的轉動周期地改變磁電轉換器的磁阻值。檢測線圈中磁通隨之發生周期性變化，產生周期性的感應電勢，即電脈沖信號，經放大器放大后，送至顯示儀表顯示。
渦輪流量計的實用流量方程為
qv=f/K (7.1) qm=qvρ (7.2)
式中 qv,qm－分別為體積流量，m3/s， 質量流量，kg/s； f－流量計輸出信號的頻率，Hz； K－流量計的儀表系數，P/m3。
流量計的儀表系數與流量（或管道雷諾數）的關系曲線如圖2所示。由圖可見，儀表系數可分為二段，即線性段和非線性段。線性段約為工作段的三分之二，其特性與傳感器結構尺寸及流體粘性有關。在非線性段，特性受軸承摩擦力，流體粘性阻力影響較大。當流量低于傳感器流量下限時，儀表系數隨著流量迅速變化。壓力損失與流量近似為平方關系。當流量超過流量上限時要注意防止空穴現象。結構相似的渦輪流量計特性曲線的形狀是相似的，他僅在系統誤差水平方面有所不同。
傳感器的儀表系數由流量校驗裝置校驗得出，它完全不問傳感器內部流體的流動機理，把傳感器作為一個黑匣子，根據輸入（流量）和輸出（頻率脈沖信號）確定其轉換系數，它便于實際應用。但要注意，此轉換系數（儀表系數）是有條件的，其校驗條件是參考條件，如果使用時偏離此條件，系數將發生變化，變化的情況視傳感器類型，管道安裝條件和流體物性參數的情況而定。
一、渦輪流量計主要特點
1） 高精確度，對于液體一般為±0.25％R－±0.5％R，高精度型可達±0.15％R；而介質為氣體，一般為±1％R－±1.5％R，特殊專用型為±0.5％R－±1％R。在所有流量計中，它屬于最精確的。
2） 重復性好，短期重復性可達0.05％-0.2％，正是由于具有良好的重復性，如經常校準或在線校準可得極高的精確度，在貿易結算中是優先選用的流量計。
3） 輸出脈沖頻率信號，適于總量計量及與計算機連接，無零點漂移，抗干擾能力強。
4） 可獲得很高的頻率信號（3-4kHz），信號分辨力強。
5） 范圍度寬，中大口徑可達40：1-10：1，小口徑為6：1或5：1。
6） 結構緊湊輕巧，安裝維護方便，流通能力大。
7） 適用高壓測量，儀表表體上不必開孔，易制成高壓型儀表。
8） 專用型傳感器類型多，可根據用戶特殊需要設計為各類專用型傳感器，例如低溫型、雙向型、井下型、混砂專用型等。
9） 可制成插入型，適用于大口徑測量，壓力損失小，價格低，可不斷流取出，安裝維護方便。
10） 難以長期保持校準特性，需要定期校驗。對于無潤滑性的液體，液體中含有懸浮物或磨蝕性，造成軸承磨損及卡住等問題，限制了其適用范圍，采用耐磨硬質合金軸和軸承后情況有所改進。對于貿易儲運和高精度測量要求的，最好配備現場校驗設備，可定期校準以保持其特性。
11） 一般液體渦輪流量計不適用于較高粘度介質（高粘度型除外），隨著粘度的增大，流量計測量下線值提高，范圍度縮小，線性度變差。
12） 流體物性（密度、粘度）對儀表特性有較大影響。氣體流量計易受密度影響，而液體流量計對粘度變化反應敏感。由于密度和粘度與溫度、壓力關系密切，在現場溫度、壓力波動是難免的，要根據它們對精確度影響的程度采取補償措施，才能保持高的計量精度。
13） 流量計受來流流速分布畸變和旋轉流的影響較大，傳感器上下游側需設置較長的直管段，如安裝空間有限制，可加裝流動調整器（整流器）以縮短直管段長度。
14） 不適于脈動流和混相流的測量。
15） 對被測介質的清潔度要求較高，限制了其適用領域，雖可安裝過濾器以適應臟污介質，但亦帶來壓損增大、維護量增加等副作用。
16） 小口徑（DN50以下）儀表的流量特性受物性影響嚴重，故小口徑渦輪流量計的儀表性能難以提高。
二、渦輪流量計分類
按傳感器結構分類
1）軸向型（普通型）葉輪軸中心與管道軸線重合，是渦輪流量計的主導產品，有全系列產品（DN10-DN600）。
2）切向型 葉輪軸與管道軸線垂直，流體流向葉片平面的沖角約90度，適用于小口徑微流量產品。
3）機械型 葉輪的轉動直接或經磁耦合帶動機械計數機構，只是積算總量，測量精度比電信號檢測的傳感器稍低，其傳感器與顯示裝置組成一體式，受到用戶歡迎。
4）井下專用型 適用于石油開采井下作業及采輸用，測量介質有泥漿及油氣流等，傳感器體積受限制，需耐高壓、高溫及流體沖擊等。
5）自校正雙渦輪型 可用于天然氣等氣體流量測量，傳感器由主、輔雙葉輪組成，可由二葉輪的轉速差自動校正流量特性的變化。
6）廣粘度型 在波特型浮動轉子壓力平衡結構基礎上擴大上錐體與下錐體的直徑，增加粘度補償翼及承壓葉片等結構措施，使傳感器適用于高粘度液體，如重油，粘度可達30mm2/s。
三、傳感器結構
渦輪流量計傳感器由表體、導向體（導流器）、葉輪、軸、軸承及信號檢測器組成（見圖1）。
1） 表體 表體是傳感器的主體部件，它起到承受被測流體的壓力，固定安裝檢測部件，連接管道的作用。表體采用不導磁不銹鋼或硬鋁合金制造。對于大口徑傳感器已可用碳鋼與不銹鋼組合的鑲嵌結構，表體外壁裝信號檢測器。
2） 導向體 在傳感器進出口裝有導向體，他對流體起導向整流以及支撐葉輪的作用，通常選用不導磁不銹鋼或硬鋁材料制作。反推式渦輪流量傳感器的后導流件還要求能產生足夠的反推力，其結構形式很多。前導流器有專利產品可以抗流體流動的嚴重干擾。
3） 渦輪 亦稱葉輪，是傳感器的檢測元件，它由高導磁性材料制成。葉輪有直板葉片、螺旋葉片和丁字形葉片等幾種，也可用嵌有許多導磁體的多孔護罩環來增加一定數量葉片渦輪旋轉的頻率，葉輪由支架中軸承支撐，與表體同軸，其葉片數視口徑大小而定。葉輪幾何形狀及尺寸對傳感器性能有較大影響，要根據流體性質、流量范圍、使用要求等設計，葉輪的動平衡很重要，直接影響儀表性能和使用壽命。
4） 軸與軸承 它支撐葉輪旋轉，需有足夠的剛度、強度和硬度、耐磨性、耐腐蝕性等。它決定著傳感器的可靠性和使用期限。傳感器失效通常是由軸與軸承引起的，因此它的結構與材料的選用以及維護是很重要的。
5） 信號檢測器 國內常用變磁阻式，如圖1上半部分所示。由永久磁鋼、導磁棒（鐵芯）、線圈等組成。永久磁鋼對葉片有吸引力，產生磁阻力矩，小口徑傳感器在小流量時，磁阻力矩在諸阻力矩中成為主要項，為此將永久磁鋼分為大小兩種規格，小口徑配小規格以降低磁阻力矩。輸出信號有效值在10mV以上的可直接配用流量計算機，配上放大器則輸出伏級頻率信號。
渦輪流量計傳感器結構類型很多，這里介紹幾種廣泛應用的產品。
1） 止推式渦輪流量傳感器 這類產品的結構簡圖于圖3。其中圖（a）與圖(b)為軸尖止推類，采用平面或球面點接觸，接觸點與傳感器軸線重合，點接觸的優點是摩擦力矩很小，可用于較低的下限流量，但是大流量時磨損嚴重。圖(c)為端面面接觸止推型，端頭呈球形，軸承為平面型。此類結構僅用于小口徑（DN≤15mm）傳感器，發揮其靈敏度高的特點。
2） 反推式渦輪流量傳感器這類產品的結構簡圖如圖4所示。圖4(a)中在輸入端面處的壓力pH降低，產生反推力；圖4(b)是流體經前面孔引入產生反推力；圖4(c)表示流體由后反向推。反推式結構在一定流量范圍內可使葉輪處于浮游狀態，軸向不存在接觸點，無端面摩擦和磨損，可延長使用期限。
3） 切向式渦輪流量計 圖5所示為用于微流量測量的渦輪流量傳感器。流體由葉輪的切向流過，沖擊其葉片旋轉。由于被測流量小，為加大流體對葉輪的沖力，入口處裝有噴嘴，可以更換噴嘴孔徑以調節流量范圍。葉輪的轉速采用光電法檢測，以避免如磁阻法產生磁阻力矩。
4） 氣體渦輪流量計，氣體的密度遠小于液體密度，流體推動力矩小，氣體流量傳感器與液體流量傳感器在結構參數上有顯著差別。要加大輪轂半徑，縮小流道截面積，使氣流流速加大且集中經過葉片邊緣。因氣流流速很高，要用較小沖角的葉片。一般為降低摩擦阻力矩，采用滾動軸承，并對軸承系統注入潤滑劑。它能沖洗掉軸承表面的微粒，延長軸承壽命。多孔狀的儲油室能在換加潤滑劑期間向軸承持續供油。典型的燃氣渦輪流量計如圖6所示。圖6(a)所示為氣體渦輪流量計的剖面圖。圖6(b)所示為傳感器顯示裝置上附加氣體體積補償器，補償器把傳感器測量的實際體積流量經壓力、溫度換算為標準狀態下的體積流量。另外還有報警、自診斷、遠傳信號等多種功能，他是一臺功能齊全的流量計算機。
四、渦輪流量計安裝注意事項
渦輪流量計傳感器應安裝在便于維修，管道無振動、無強電磁干擾與熱輻射影響的場所。液體渦輪流量計的典型安裝管路系統如圖7所示。圖中各部分的配置可視被測對象情況而定，并不一定全部都需要。渦輪流量計對管道內流速分布畸變及旋轉流是敏感的，進入傳感器應為充分發展管流，因此要根據傳感器上游側阻流件類型配備必要的直管段或流動調整器，如表2所示。若上游側阻流件情況不明確，一般推薦上游直管段長度不小于20D，下游直管段長度不小于5D，如安裝空間不能滿足上述要求，可在阻流件與傳感器之間安裝流動調整器。傳感器安裝在室外時，應有避直射陽光和防雨淋的措施。
在長期的生產實踐中, 我們發現渦輪流量計精度高, 測量范圍廣, 惰性小, 但測量信號易受到各種外界因素的影響, 所以常規的渦輪流量計示值擺動不定, 誤差較大, 鑒于此, 我們在借鑒國內外許多儀表的基礎上, 利用單片機設計了一種智能型渦輪流量計, 完成對流體瞬時流量的計量和監控。 1.電磁流量計工作原理 1.1流計系數 在一般清況下, 渦輪流量計系數單位襯決定了流量和頻率的關系, 在不考慮溫度修正時二式中為流量計測得的脈沖數為同一時間測得的液體體積。利用單片機采集到的相應脈沖個數, 準確計算出液體流量。 1.2體積單值的修正 在充分考慮工業液體的密度和溫度的影響時, 傳感器處的體積單量值可修正為式中為標準條件下的傳感器系數, 為流量計采集的脈沖數才為傳感器處的溫度, ℃。。為傳感器殼體的線膨脹系數, ℃。。為傳感器 輪的線膨脹系數, ℃通過對傳感器處的物理尺寸所做的溫度修正, 便可以由脈沖的個數和標準條件下的傳感器系數, 求出液體流經傳感器處的體積數, , 然后算出工業液體密度, , , 利用下式計算出流體的質量。 二夕式中凸, 為傳感器對應的流體的密度, , ,為體積數, , 為流體的質量, 2.硬件設計 本儀表以單片機為核心, 經過數據采集、處理并接收電機的開關信號、鍵盤輸入信號、溫度補償信號, 然后通過中間繼電器向電機發出啟動斷開信號, 并顯 剖面。整流器導流體的外徑設計同渦輪輪殼外徑。為了使流體的分布平均，要將整流器設計成軸對稱結構。材質要求選用不導磁不銹鋼或硬鋁材料制作。 (3)渦輪 渦輪亦稱葉輪，是傳感器的檢測元件，它由高導磁性材料制成。葉輪有直板葉片、螺旋葉片和丁字形葉片等幾種，也可用嵌有很多導磁體的多孔護罩環來增加一定數目葉片渦輪旋轉的頻率渦旋流量計。葉輪由支架中軸承支撐，與表體同軸，渦街流量計其葉片數視口徑大小而定。葉輪幾何外形及尺寸對傳感器機能有較大影響，要根據流體性質、流量范圍、使用要求等設計。葉輪的動平衡很重要，直接影響儀表機能和使用壽命。葉輪是變送器的敏感元件，也是樞紐元件，所以葉輪的設計將直接影響到變送器的機能好壞。因為儀表常數 k 是葉片安裝角β、頂隙 Δr 、葉柵重疊度以及暢通流暢截面的函數，所以選擇理想的葉輪結構參數是很重要的
流量計大全之渦輪流量計的結構原理與優缺點(多圖)、渦輪流量計的結構特點
